Design Space Exploration of heterogeneous SoC Platforms for a Data-Dominant Application

Abstract

El objetivo principal de esta tesis es obtener un conjunto de implementaciones de un sistema especificado en alto nivel y bajarlo a diferentes plataformas arquitectónicas. Esto ha permitido realizar una comparación justa que incluye la cadena de diseño, metodología hacia las diversas plataformas de silicio. Esta comparación usa cuatro variables para su evaluación (el tiempo de ejecución, el área del chip, el consumo de energía y el tiempo de diseño) y produce un mapa de puntos de las diferentes implementaciones óptimas de acuerdo con un conjunto de requerimientos de operación. Se ha construido un completo IP un compresor MPEG-4 Main Profile. Este estándar de video codificación es un buen ejemplo de referencia, bastante popular en la literatura científica y es también un ejemplo adecuado de aplicación basada en flujo de datos. Por tanto, los resultados extraídos de esta tesis pueden ser extendidos a otras aplicaciones basadas en IPs con tratamiento de flujo de datos. He considerado necesario la computación de imágenes con restricciones de tiempo real. Y por tanto, se deseaba disponer del diseño más flexible posible para poder mapear las mismas especificaciones en las diferentes plataformas. <br/>Para este propósito, se ha elegido SystemC/C++ como lenguaje de descripción del sistema e idear los diferentes flujos de implementación para las diferentes arquitecturas y plataformas de silicio. Este poderoso marco de trabajo permite comparar implementaciones de una forma objetiva y razonada. Ya que nuestros resultados vienen de un αnico modelo y los diseños fueron mapeados en la misma tecnología de silicio (90nm CMOS). <br/>El resultado de este trabajo de investigación es un juego de criterios y un mapa de las soluciones disponibles sobre el espacio de funcionamiento más bien que una aserción que dice que una solución αnica es mejor que las otras. Mi intención ha sido desarrollar técnicas y formular los métodos que pueden permitir aumentar la productividad en el diseño. <br/>Este desarrollo puede ser extendido al nuevo paradigma de intercomunicación: Aquellos que usan técnicas DVFS y basadas en NoC para exploraciones e implementaciones MPSoC. <br/>Consideramos la contribución mas significativa es el desarrollo del modelo con el cual se han realizado los diversos experimentos: El compresor MPEG que se ha realizado en SystemC/C++. Se ha realizado de la forma que implementaciones mαltiples son posibles: que van desde una parte grande en HW hasta la que se carga en un VLIW. En el caso de la FPGA y el ASIC, se han realizado dos implementaciones. Hemos obtenido un conjunto de resultados para siete diferentes implementaciones con cuatro diferentes objetivos HW (FPGA, ASIC, DSP y ASIP) con diferentes arquitecturas internas, seleccionadas para obtener puntos óptimos. Esto nos da que un incremento en eficiencia del 56 % para velocidad versus 26 % en energía en la solución FSME (20% para velocidad y 57 % para energía en la solución FAST). En el caso de los ISPs, las mejoras en el código se han realizado de forma que se obtienen implementaciones mejores que las que se conseguirían con una implementación directa del código no solo mejoras en el código sino mejoras en las microarquitecturas de silicio que forman el VLIW en el caso del ASIP. Otra contribución ha sido la realización de una NoC a nivel funcional en SystemC.

The main goal of this thesis is to obtain a set of results for the implementation of a given system level application down to different architectural platforms. This allowed carrying out a fair comparison that includes to build the whole system and to complete the design chain to the diverse silicon targets. This comparison uses four variables for its evaluation (execution time, chip area, energy consumption and design time) and produces a map of different optimal implementation points according to a given set or operating requirements. I built a complete MPEG-4 MP. This standard is a well known reference example, pretty popular in the scientific literature and this compressor is also a fine example of data-flow application. Therefore, results extracted from this thesis can be extended to other data-flow applications. I considered necessary to compute image compression with real-time constraints. Hence, I would like to dispose of the most flexible design possible in order to map the same specification into the different platforms. <br/>For that purpose, I chose SystemC/C++ as description system level language and setup the different implementation flows for the different architectural and silicon platforms. This powerful framework allows comparing implementations in a reasonably objective way. Since our results come from a unique reference model and all designs were finally mapped in the same silicon technology (90nm CMOS). <br/>The result of this research work is a set of criteria and a map of the available solutions on the performance space rather than an assertion saying that a unique solution is better than others. My intention has been to develop techniques and formulate methods that increased design productivity. This development can be further applied to the new parading of implementations: those that use DVFS techniques and NoC-based MPSoc implementation explorations. <br/>We consider the most important contribution is the development of the model able to achieve the different experiments: the MPEG compressor that has been realized in SystemC/C ++. It is designed in a way that multiple implementations are possible, ranging from a large part in HW up to loaded in an accelerator as a VLIW. In case of the FPGA and ASIC, two implementations have been carried out. We obtained a set of values for seven different implementations targeting four different HW platforms (FPGA, ASIC, DSP and ASIP) with diverse internal architectures, selected to get optimal points. In the case of ASIC, we managed to end up with the layouts of the two solutions. This led to an increase in efficiency of 56 % for speed versus 26 % for energy (in FSME solution 20% for speed and 57% for energy in FAST solution). In case of the ISPs, code improvements have been accomplished to come up to more ideal solutions with regard to those who would be obtained by a direct implementation. In case of the ASIP the improvements have not only been realized in the code but also in the silicon micro architecture that form the VLIW. Other contribution is the accomplishment of a functional NoC in SystemC.